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郯庐断裂带石英c轴组构的影响因素探讨

中国学术期刊网【地理地质论文】 编辑:天问 岩石学报 2016-05-02
郯庐断裂带石英c轴组构的影响因素探讨论文作者:王勇生 杨秉飞 王海峰 余顶杰,原文发表在《岩石学报杂志》,经中国学术期刊网小编精心整理,仅供您参考。

关键词: 郯庐断裂带 糜棱岩 石英c轴组构 多期变形
摘要: 石英是自然界中最主要的造岩矿物之一,也是地壳流变过程的主要变形矿物,其c轴组构特征与变形温度、剪切指向具有密切的关系,因而常被用来获取剪切指向、估计变形温度、计算运动学涡度等。但由于受到变形分解、先存构造、流体等因素的影响,同一岩石中常会得到多个不同的石英c轴组构结果。如果天然变形岩石同时受到多种因素的影响,其石英c轴组构会表现为何种特征?与岩石变形温度、剪切旋向是否仍具有很好的对应性?基于以上问题,本次工作以大别山东缘郯庐断裂带内经历了多期变形、富含流体活动的超糜棱岩为研究对象,在同一岩石薄片中选择不同区域,利用EBSD开展石英c轴组构分析。分析结果表明,选择的超糜棱岩的石英c轴组构点极密分布形态指示岩石变形发生于非共轴变形条件下;剪切指向方面,6个分析区域中区域1表现为左旋剪切指向特征,与薄片中优势剪切指向一致,而除区域4外的其他4个区域显示出与优势剪切指向相反的右旋剪切指向特征;变形温度方面,区域4以柱面滑移为主,显示了高温变形特征,而其余5个区域均以底面滑移为主,指示了低温变形环境。根据本次石英c轴组构特征分析结果,可以得出一些认识:岩石中石英表现为完全的GBM动态重结晶,所指示的温度明显高于大量沿糜棱面理分布的绿泥石所指示的绿片岩相环境,显示流体活动促进了岩石变形;而石英c轴组构指示的变形温度为绿片岩相环境,与绿泥石存在的现象一致,表明糜棱岩化过程中流体活动对石英c轴组构的影响并不明显。在发生过多期变形事件的岩石中,岩石中早期高温变形信息有可能保留下来并记录在石英c轴组构特征中,因而通过石英c轴组构分析有可能获得早期事件的信息;虽然石英c轴组构影响因素众多,但首先开展详细的显微镜下观察,然后有选择地对剪切指向清晰区域开展石英c轴组构分析,仍然能够得到与岩石中优势剪切指向一致的石英c轴组构结果。

王勇生, 杨秉飞, 王海峰, 余顶杰
合肥工业大学资源与环境工程学院, 合肥 230009
2015-08-28 收稿, 2015-11-24 改回.
基金项目: 本文受国家自然科学基金项目(41572186)和安徽省杰出青年基金项目(1108085J12)联合资助.
第一作者简介: 王勇生,男,1977年生,研究员,构造地质学专业

变形岩石中,矿物晶体的晶格方位通常具有一定的排列规律,这种矿物晶体晶格定向排列的方位被称为晶格优选方位(Passchier and Trouw, 2005)。石英只有c轴一个晶轴,因而其晶格优选方位通常被称为石英c轴组构(quartz c-axis fabrics)。石英是自然界中最主要的造岩矿物之一,也是地壳流变过程的主要变形矿物,其c轴组构特征受变形温度、应变速率、差应力等因素控制(Stipp et al., 2002; Menegon et al., 2008)。由于石英c轴组构特征与岩石变形温度、剪切指向之间存在极好的对应性,因而被研究者们广泛接受与应用,在韧性剪切带研究中常被用来获取剪切指向(Law,1990; Passchier and Trouw, 2005)、估计变形温度(Kruhl,1996; Law et al., 2004; Morgan and Law, 2004; Toy et al., 2008; Zhang et al., 2012; Gottardi and Teyssier, 2013; Law,2014; Faghih and Soleimani, 2015)、计算运动学涡度(Xypolias,2009)等。但越来越多的工作表明,同一个岩石样品中可能会得到多个不同的石英c轴组构结果(Araújo et al., 2003; Toy et al., 2008; Peternell et al., 2010; Zhang et al., 2012)。而且,由石英c轴组构特征及动态重结晶型式分别推断出的变形温度有时会不一致(Jessell,1988; Takeshita et al., 1999)。所有这些可能与变形岩石的局部应变分解、先存构造、流体的影响等因素密切相关。那么,如果同时存在这些影响因素,石英c轴组构会表现为何种特征?是否还与岩石变形温度、剪切旋向具有很好的对应性?这就需要在复杂影响因素的天然变形岩石中开展研究。

郯庐断裂带 是中国东部的一条巨型断裂带,总体呈NNE走向。以往的研究表明,大别山东缘的郯庐断裂带发生过两期左行平移活动(Zhu et al., 2005,2010a,b; 王勇生等,2005),形成走滑韧性剪切带。晚期韧性剪切带内糜棱岩以富绿泥石超糜棱岩为主,同时该韧性剪切带叠加在大别造山带岩石上形成的。因而,郯庐断裂带晚期韧性剪切带内的石英c轴组构可能会同时受到先存构造、流体等多种因素的影响,为探讨复杂状态下石英c轴组构特征的极佳研究对象。基于以上目的,本次工作将以郯庐断裂带内富绿泥石超糜棱岩为研究对象,探讨多种因素影响下形成的石英c轴组构特 征。

1 区域地质背景
郯庐断裂带是滨西太平洋东亚大陆边缘上一系列北北东向断裂带中的一条巨型断裂带(Xu et al., 1987; Niu et al., 2015)。它南起长江北岸的湖北武穴,在中国境内延伸总长度约2400km,总体走向为25°~40°,平面形态呈缓S型展布(图 1)。大别造山带东缘的郯庐断裂带是大别造山带的东界,其东侧为晚白垩世-古近纪的潜山断陷盆地(朱光等,2001)。近年来的研究表明,北大别杂岩带东侧呈狭长状分布的岩石并不是受郯庐断裂带的牵引向北延伸的南大别超高压变质岩,而是造山带折返过程中覆于北大别杂岩带之上,并于早白垩世造山带穹窿抬升过程中就 位于桐城-潜山一线的高压变质岩(Lin et al., 2009)。因而,大别山东缘郯庐断裂带潜山以北段实际上是叠加在高压变质带之上的(图 1)。大别山东缘郯庐断裂带地表出露为大型左旋走滑韧性剪切带,也是整个断裂带上糜棱岩类出露最好的地段之一,露头可以见到绿片岩相初糜棱岩、糜棱岩和超糜棱岩。断裂带西侧大别杂岩内的片麻理由原先的走向北西西至断裂带附近被牵引弯曲成东西至北东东走向,明显指示了该断裂带造山之后的左行平移运动(图 1)。

图 1
Fig. 1
图 1 大别山东缘郯庐断裂带桐城-牛栏铺段构造简图及采样位置

Fig. 1 Structural map for Tongcheng-Niulanpu part of the Tan-Lu fault zone on the eastern margin of the Dabie Mountains and sampling locality

大别山东缘郯庐韧性剪切带在桐城县城至牛栏铺一带出露最好(图 1),剪切带露头宽1~1.5km,东侧掩于潜山盆地之下。近年来详细的工作表明,该段韧性剪切带实际上是由两期走滑韧性剪切带构成(Zhu et al., 2005,2009; 王勇生等,2005)。早期韧性剪切带残留在晚期剪切带之间断续出现,其糜棱面理优势走向为50°~60°(图 1),野外多处露头上见到它们被晚期剪切带所切割、牵引。这些早期韧性剪切带主要呈现为糜棱岩,部分为超糜棱岩。其糜棱面理多陡立,倾角变化于60°~85°之间。矿物拉伸线理平缓,多向北东倾伏,倾角为10°~20°。晚期韧性剪切带总体走向北东,糜棱面理优势走向40° NE,倾向北西或南东(图 1)。糜棱岩面理陡倾,倾角在70°~80°之间,拉伸线理较平缓,多向北倾,倾角多为10°~15°左右。晚期韧性剪切带由2~4条强剪切带组成(图 1),相间出现,剪切带内普遍发育了糜棱岩和超糜棱岩,其典型代表为绿泥石超糜棱岩。宏观和微观的的S-C组构、旋转残斑、牵引现象、小型剪切带以及矿物拉伸线理的赤平投影(图 1)皆指示大别山东缘的郯庐断裂带为左旋韧性剪切带。

2 样品描述及显微构造特征
本次工作的样品采集点为大别山东缘郯庐断裂带桐城-牛栏铺段童铺采石场。该点主要出露糜棱岩,露头上观察不到明显的大矿物颗粒。岩石颜色呈墨绿色(图 2a,b),应该与岩石中含有较多的绿泥石有关。岩石面理产状320°∠70°;线理产状47°∠9°。露头上的S-C构造指示岩石为左旋剪切变形。岩石中可见颜色相对较浅的岩脉侵入(图 2a,c)。岩脉四周被超糜棱岩包围(图 2a),指示该岩脉可能为高角度贯入糜棱岩中,露头点观察到的是侵入岩脉的横截面。侵入的岩脉已完全变形而转变成糜棱岩,并且岩石产状与富绿泥石糜棱岩完全一致(图 2a),暗示岩脉的侵入发生在断裂带韧性剪切活动之前。

图 2
Fig. 2
图 2 大别山东缘童铺郯庐断裂带糜棱岩野外照片

(a)郯庐断裂带童铺富绿泥石超糜棱岩及变形岩脉;(b)郯庐断裂带童铺富绿泥石超糜棱岩;(c)郯庐断裂带童铺韧性剪切带中变形岩脉

Fig. 2 Field photos of mylonites in Tongpu of the Tan-Lu fault zone on the eastern margin of the Dabie Mountains

(a)ultramylonite with abundant chlorite and deformed dike from the Tongpu in the Tan-Lu fault zone;(b)ultramylonite with abundant chlorite from the Tongpu in the Tan-Lu fault zone;(c)deformed dike from the Tongpu in the Tan-Lu ductile shear zone

详细的显微镜下观察发现,岩石中存在一条显微裂隙(图 3a),该裂隙与糜棱面理夹角约45°,呈近N-S走向,裂隙两侧物质表现为明显地不连续(图 3a),指示其具有一定的走滑运动分量。岩石的主要组成矿物为石英、长石和绿泥石,约占矿物总量的95%左右(图 3a)。此外还有少量的帘石类矿物零星分布以及少量的方解石呈脉状分布于岩石中。石英已完全动态重结晶,没有任何残斑存在。动态重结晶石英颗粒细小,粒径大小介于10~20μm之间,边界呈港湾状接触(图 3b),指示为GBM动态重结晶。动态重结晶石英约占岩石中矿物总量的60%,呈条带状或分布于长石压力影部位(图 3b,c)。长石在岩石中表现为脆性破裂。大部分大颗粒长石被破碎成大小相对均一的较小颗粒,颗粒较大者200~350μm,较小者50~100μm,其中颗粒较小者占长石总量的80%以上(图 3b,c)。碎裂的长石被动态重结晶的石英分割而分散分布于整个岩石中,表明长石碎裂之后变形过程又持续发生了一段时间或是经历了再一次变形事件,使得长石呈孤岛状分布于动态重结晶的石英之中。部分颗粒较大的长石发生了脆性变形,在岩石中表现为书斜构造。绿泥石沿糜棱面理分布,充填于长石、石英等矿物的间隙,约占矿物总量的25%(图 3d)。正是岩石中大量绿泥石的存在使岩石在露头表现为墨绿色(图 2a,b)。

图 3
Fig. 3
图 3 大别山东缘童铺郯庐断裂带糜棱岩显微照片

(a)超糜棱岩及岩石中发育的显微裂隙;(b)超糜棱岩,长石旋转残斑指示左行剪切;(c)超糜棱岩,长石旋转残斑指示右行剪切;(d)超糜棱岩中沿糜棱面理分布的绿泥石;(e)超糜棱岩中的变形岩脉,矿物弱定向性;(f)超糜棱岩中的变形岩脉,石英BLG+SR重结晶

Fig. 3 Photomicrographs of mylonite from Tongpu of the Tan-Lu fault zone on the eastern margin of the Dabie Mountains

(a)ultramylonite from Tongpu and micro-crack in the rock;(b)ultramylonite from Tongpu,σ-type feldspar porphyroclast indicating top-to-NW shear sense in the shear zone;(c)ultramylonite from Tongpu,σ-type feldspar porphyroclast indicating top-to-SE shear sense in the shear zone;(d)chlorites along mylonite foliation in the Tongpu ultramylonite;(e)deformed dike with weak-orientation minerals in the Tongpu ultramylonite;(f)quartz BLG and SR recrystallization of the deformed dike in the Tongpu ultramylonite

研究表明,随着变形温度的升高,石英由亚颗粒旋转动态重结晶(SR)向颗粒边界迁移动态重结晶(GBM)转换,这一转换温度发生在480℃左右(Urai et al., 1986; Stipp et al., 2002; Mancktelow and Pennacchioni, 2004)。而400℃以下长石呈现为显微破裂,500℃以上则长石的动态重结晶占优势(Passchier and Trouw, 2005)。岩石中广泛的石英GBM动态重结晶指示了明显高于500℃的变形温度。但岩石中存在大量的绿泥石,同时存在长石的脆性破裂现象,并且这些绿泥石沿糜棱面理面分布(图 3d),指示岩石曾发生过一期绿片岩相的变形事件。但绿片岩相环境下石英应表现为SR为主的重结晶型式(Stipp et al., 2002),而不是完全的GBM重结晶。因而,岩石可能经历了两期变形事件。早期变形过程中石英发生完全的GBM重结晶,然后在晚期变形过程中再次细粒化。但岩石中长石主要表现为大颗粒的脆性碎裂,因而即使在早期较高温度变形过程中,岩石的变形温度可能仅稍高于500℃。基于上述分析,可知早期变形为角闪岩相变形,变形温度介于500~550℃之间,形成石英GBM重结晶和长石的脆性碎裂;晚期变形为绿片岩相变形,导致绿泥石的形成、石英的再次动态重结晶以及碎裂长石被分散于岩石中。岩石中存在多种剪切指向标志,但这些指向标志中既有指示左旋剪切的(图 3b),又有指示右旋剪切的(图 3c),表明岩石变形过程中存在应变分解。纵览整个薄片,成条带状分布的石英形成的S-C构造、长石旋转残斑、脆性长石破裂形成的书斜构造指示的左旋剪切明显占优势。因而虽然岩石中存在部分右旋剪切指向标志,但根据优势剪切指向标志判定岩石为左旋剪切变形。

花岗岩脉变形形成的糜棱岩颜色明显较浅,其矿物组合同样主要为石英+长石+绿泥石。与富绿泥石超糜棱岩不同的是,长石、石英等主要组成矿物的颗粒大小明显较大,多大于500μm(图 3e)。虽然岩石中矿物同样表现为定向排列,但其定向性与富绿泥石超糜棱岩相比明显较差(图 3e)。石英多以残斑形式存在,仅在边缘发生动态重结晶;少量石英表现为完全的动态重结晶(图 3f),指示其动态重结晶型式为BLG+SR重结晶。长石主要表现为脆性破裂。这些矿物的变形特征指示岩石的变形温度为400~450℃,与富绿泥石超糜棱岩晚期变形温度基本一致。这也同样证明了富绿泥石的超糜棱岩曾经历过两期变形。
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